水平基因轉(zhuǎn)移在水生動物中分布的初步探討.pdf

1、具有特定生物學(xué)功能的新基因?qū)λ猩锒际且环N重要的進(jìn)化優(yōu)勢。新基因除了可以在基因組中已有遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ)上通過緩慢演化而產(chǎn)生，也可以直接在不同物種之間發(fā)生橫向流動，即水平基因轉(zhuǎn)移。水平基因轉(zhuǎn)移在原核生物快速進(jìn)化中發(fā)揮的重要作用已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可。但對于多細(xì)胞真核生物而言，它們巨大且復(fù)雜的基因組使得分析流程變得極為繁瑣且低效，導(dǎo)致相關(guān)的研究非常滯后。水生動物的生活環(huán)境及一些生物學(xué)特性可能有利于它們之間發(fā)生水平基因轉(zhuǎn)移，因此系統(tǒng)的對水生動物中的

2、水平基因轉(zhuǎn)移情況進(jìn)行研究有利于闡明真核生物中水平基因轉(zhuǎn)移的具體機(jī)制及普遍規(guī)律，也會加深人們對遺傳資源本質(zhì)的理解。
　　由于真核生物中普遍存在大量的轉(zhuǎn)座子，而這些轉(zhuǎn)座子具有一定的自主性，它們的水平轉(zhuǎn)移機(jī)制可能與單拷貝基因有所不同，所以對這兩類遺傳物質(zhì)的水平轉(zhuǎn)移分別進(jìn)行了研究。
　　一轉(zhuǎn)座子的水平轉(zhuǎn)移
　　以凡納濱對蝦為核心物種，以一個高通量測序的拼接結(jié)果為核心數(shù)據(jù)集，通過基于多重本地/在線blast的相似性搜索、進(jìn)化分析

3、及表達(dá)分析研究了它的轉(zhuǎn)錄組中的轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄本，這些轉(zhuǎn)錄本參與水平轉(zhuǎn)移的情況及它們可能的生物學(xué)功能，結(jié)果如下:
　　1.從56608條凡納濱對蝦轉(zhuǎn)錄本中鑒定出了395條高度可信的轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)錄本，它們中的絕大多數(shù)都是逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄本。157條轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄本表現(xiàn)出與遠(yuǎn)緣物種更高的相似度，這些遠(yuǎn)緣物種主要是輻鰭魚類、貝類和寄生生物;這157條轉(zhuǎn)錄本中有83條可以確定來自于已知的凡納濱對蝦轉(zhuǎn)座子家族，對應(yīng)的轉(zhuǎn)座子家族一共是16個。
　

4、　2.上述的16個對蝦轉(zhuǎn)座子家族有10個已經(jīng)被注釋了編碼區(qū)，因此用它們的蛋白序列與對應(yīng)的高相似同源序列進(jìn)行了進(jìn)化分析。結(jié)果表明它們在進(jìn)化樹上的近鄰多數(shù)情況下都是水生動物序列，而且其他水生動物的序列之間也容易聚在一起，盡管它們之間的親緣關(guān)系非常遠(yuǎn)。
　　3.通過與凡納濱對蝦早期發(fā)育階段和WSSV病毒重組VP28蛋白刺激下的轉(zhuǎn)錄組測序原始數(shù)據(jù)進(jìn)行短片斷比對，發(fā)現(xiàn)涉及水平轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)錄本有可能在抗病毒免疫中發(fā)揮了重要作用，確切的說，它們可能

5、是抗病毒免疫的抑制因子。
　　二單拷貝基因的水平轉(zhuǎn)移
　　為了處理更大規(guī)模的數(shù)據(jù)，首先開發(fā)了一種基于TF-IDF(詞頻-逆文本頻率指數(shù))的水平轉(zhuǎn)移基因判斷方法。以27個分類跨度很大的物種的UniGene序列為核心數(shù)據(jù)集，用新開發(fā)的方法對這些物種中的水平轉(zhuǎn)移序列進(jìn)行了初步篩選，并對這些候選序列用傳統(tǒng)的基于相似性搜索及進(jìn)化分析的方法進(jìn)行了嚴(yán)格驗(yàn)證，結(jié)果如下:
　　1.首先從21個物種的4048個同源基因group中，使用合

6、適的閾值，得到了20257個高度保守的基因片斷，長度范圍是3-40 nt，其中數(shù)量最多的8 nt和11 nt的片斷，這些保守片斷被類比為文本中的“詞”。這些詞的分布曲線部分符合齊夫定律，而那些不符合的部分，由于TF或IDF過低，其綜合權(quán)重都很低。為了查找這些長度不同的詞在序列中的出現(xiàn)次數(shù)，開發(fā)了一種動態(tài)規(guī)劃查找算法，并用Python及C語言加以實(shí)現(xiàn)。
　　2.構(gòu)造了一個基于TF-IDF的度量Dis，用來表征一條序列的特征值與該物種

7、中所有序列平均特征值的距離。通過對序列參考不同物種得出的Dis進(jìn)行比較，可以直接判斷出哪些序列與自身物種的序列平均特征值差距大，而與其他物種的序列平均特征值差距小。采用這種方法，從13個物種判斷出了585條潛在的水平轉(zhuǎn)移序列，這些序列集中出現(xiàn)在淡水渦蟲、日本血吸蟲、貓頭鷹帽貝和肩突硬蜱中。潛在的基因供體物種也比較集中，主要是大西洋鮭、斑馬魚和安樂蜥。
　　3.通過相似性搜索等進(jìn)一步的嚴(yán)格驗(yàn)證，從上述的585條序列中得到了63條更加

8、可信的水平轉(zhuǎn)移序列，其中39條來自淡水渦蟲。這63條序列在眾多物種中存在高度相似的同源序列，尤其是后口動物，但進(jìn)化分析卻表明，它們的近鄰?fù)ǔ６际沁h(yuǎn)緣的水生動物，與用Dis預(yù)測的結(jié)果高度一致。這63條序列代表了一系列的基因，包括編碼核糖體蛋白，細(xì)胞骨架蛋白及能量代謝相關(guān)蛋白的眾多基因，它們多數(shù)都是組成性表達(dá)的管家基因。
　　本研究的結(jié)果表明:無論是轉(zhuǎn)座子還是單拷貝基因，在水生動物之間，特別是生態(tài)位相近的水生動物之間都易于發(fā)生水平轉(zhuǎn)移